基于數字圖像的隱蔽傳輸技術研究

陳功平

（信陽師范學院網絡信息與計算中心，河南信陽464000）

基于數字圖像的隱蔽傳輸技術研究

陳功平

（信陽師范學院網絡信息與計算中心，河南信陽464000）

網絡技術的飛速發展，為信息的傳播和使用提供了極大的方便，同時也面臨著信息安全問題的巨大挑戰，這促使了信息隱藏技術的產生.本文簡單介紹了信息隱藏技術的一些基本特征，且著重闡述了數字圖像的冗余性特點、隱藏技術模型、加密算法，并對其未來的發展趨勢進行了分析.

信息隱藏；加密算法；圖像置亂

1 引言

隨著科技的不斷進步，多媒體技術和網絡技術發展日新月異，互聯網上信息數據的傳輸共享行為日漸頻繁.互聯網作為一個信息共享的平臺為人們日常工作生活帶來很大便捷，但是另一方面這也造成了網絡信息安全的問題越來越嚴重.網絡上的某些未授權用戶通過一些非法手段對傳輸的信息進行攔截、篡改、復制、傳播等，損害了信息所有者的相關權益,這種形勢促使了信息隱藏技術的產生.該技術的實質就在以某種看起來很正常的媒介為載體，在里面進行秘密信息的嵌入，通過一些容易被人忽視的技術手段對載體的數據信息進行細微的修改，這樣一方面保護了數據信息傳輸的安全，另一方面這種隱藏行為也受到了保護.信息隱藏技術有效的解決了在互聯網上進行秘密信息傳輸的傳統問題，如今在政府系統、軍事情報系統、醫療衛生系統、金融系統等信息比較敏感的領域得到了廣泛的應用.

2 信息隱藏系統技術模型與發展現狀

對于一個特定的信息隱藏系統的模型，我們稱需要進行隱藏的信息為秘密信息，它可以是秘密數據或序列號，也可以是相應的版權信息，我們所公開信息為載體信息，譬如數字圖像、音頻、視頻等.這種信息隱藏過程一般由密鑰進行控制，通過一定算法將秘密信息嵌入到公開信息中形成隱蔽媒介，該媒介則通過通道完成傳遞，進而通過檢測器，利用密鑰從隱蔽載體中對秘密信息進行讀取.其模型如下所示：

圖像信息隱藏系統示意圖

目前隨著信息交流行為頻繁出現，信息安全的重要性也不斷升級.信息安全領域的“進攻”和“防守”之間對抗性已趨于白熱化.從“防守”面看，人們為了降低數據受損的風險不斷從技術、管理方面進行系統升級，甚至制定各種法規條例懲治非法竊取信息的行為，以此建立信息安全體系.從“進攻”方面看，黑客、網絡病毒則詳盡一切辦法入侵信息傳輸系統，竊取、破壞數據信息，或利用系統漏洞、或發布木馬程序等.雙方互為博弈，這也促使了新思想、新技術的大量涌現.在信息安全技術領域內信息隱藏技術嶄露頭角，發展迅速，特別是基于數字圖像中信息隱藏近年來逐漸成為人們進行信息隱秘傳輸所采用的重要方式.

3 數字圖像中的信息隱藏分析

數字圖像中的信息隱藏技術的理論基礎是數字圖像的冗余性原理以及最低有效位理論等,通過這些技術實現圖像的壓縮、變換區域的隱匿.目前數字圖像中的信息隱藏在許多領域都有著廣泛的應用，譬如版權保護、數字水印、隱寫術、票據防偽、秘密信息傳輸等.信息在進行隱藏時客觀上需要一定的空間進行相關操作，而數字圖像的冗余空間很大，這一點完全滿足需求.

3.1 數字圖像的冗余性原理

數字圖像所包含的數據信息很多都是無用的，也就是冗余性高，這在客觀上造就了較大的邏輯冗余空間的形成，為秘密數據的隱藏提供了基礎，所以數字圖像是密碼數據傳輸的重要載體.針對某單張數字圖像而言，通過一定的技術手段，根據事先需求對圖像的相應的像素值進行修改，從而實現秘密信息的嵌入是比較容易實現的.這是因為人的視覺的分別率是不能對圖像的輕微變化有所察覺.特別是肉眼看來完全相同的圖像，其像素值可能并不相同，只是人眼無法分辨出來而已，必須借助專業的工具才可以進行辨認.通常數字圖像的冗余性主要包括空間冗余和視覺冗余.

3.1.1 空間冗余

空間冗余的存在是圖像數據在形成時不可避免出現的，所以又稱之為數據冗余.對于那些種類不同、性質各異的圖像，其本質差別也就是冗余度的差異性.日常生活中的所有具有意義的圖像，其表面顏色分布都是存在規律的，具有規則的背景與規則的物體，從微觀上看，像素的分布是整齊劃一的，不是雜亂無章，往往存在一定相關性.這就在數字圖像中形成了許多重復性分布，這就是數據的冗余.在對圖像進行壓縮時則主要就是對重復的數據空間進行壓縮.

3.1.2 視覺冗余

人類是視覺系統存在一定的盲點，當圖像發生變化時，變化量大則可以發覺，變化量小則不宜發覺.一般情況下，人類視覺系統更傾向于亮度明暗變化的識別，但是對于色度、色相的變化則反應遲鈍.對于亮度高的區域，人眼則對明暗變化敏感性將會降低，相反對于亮度低的區域，人眼對明暗變化敏感性則會提高.另外人眼還有傾向于外部邊緣、整體結構敏感性高的特點.在對圖像進行壓縮時可以利用這一點，使人類視覺系統對圖像發生的變化無法感知和分辨，認為圖像沒有變化.實際上人類視覺系統的分辨能力遠低于圖像進行量化時所采用的灰度等級，這種現象即為視覺冗余.通常在進行信息嵌入時應避免在人類視覺敏感區域進行壓縮.

3.2 數字圖像信息隱藏系統模型

一般情況下我們定義嵌入了秘密信息的原始圖像為掩護圖像或者宿主圖像.發送者在進行秘密信息傳輸時通過加密處理將具體的隱秘算法和密鑰通通嵌入到宿主圖像中去.這種隱藏有秘密信息的原始圖像我們稱之為隱藏圖像或偽裝圖像.但是隱藏圖像和宿主圖像在視覺上往往不存在任何差異.當接受者完成隱藏圖像的接收后，即可根據提前給予的密鑰實現隱藏信息的提取，這些隱藏信息有可能還不是原文，還需要通過解密才可以完成原文的讀取，進而保障了信息傳輸的隱蔽性與安全性.圖像信息隱藏系統的一般化模型如下圖所示：

圖像信息隱藏系統示意圖

3.3 數字圖像的信息隱藏技術算法

數字圖像的信息隱藏技術的算法有很多種，但是具有代表性的算法是空域法和頻域法.空域法對圖像元素的數據信息直接進行了替換，通常情況下圖像元素的色帶和亮度上實現了內容的添加、修改.頻域法則是以數學函數為工具對其進行變換，以頻域的形式實現數據信息的表示，通過降低或提高圖像的相應的頻域系數完成秘密信息的嵌入，再通過反變換則可以對隱藏的信息進行解密.下面對幾種比較常見的算法進行簡單的介紹：

3.3.1 空域算法

最有代表性的空域算法是在圖像中相對不重要的像素區域進行信息的嵌入，這有助于提升信息的隱秘性.該算法不可感知性較好，容量空間大，可以實現大量隱藏數據的存儲.但是其魯棒性不足，當遭遇到非法截取時，數據信息很容易遭到破壞、竊取，比較常見的破壞手段有圖像量化、濾波、幾何變形等.鑒于該算法的主要不足就是魯棒性差，可以通過隨機序列修改圖像算法，這樣提高了其自身的魯棒性.

3.3.2 變換域算法

本算法主要應用了數學的方法，將圖像進行數學變換使其以頻域的形式表示，在對圖像的相應頻域系數進行修改時嵌入一定的秘密信息，然后通過逆變換實現隱藏有秘密信息的圖像的生成.目前各種數學變換都在變換域算法中廣泛使用，如離散小波變換、傅里葉變換、離散余弦變換等.這種技術在修改載體信息的同時完成了數據信息的嵌入，其魯棒性較之空域算法更強.

3.3.3 壓縮域算法

以JPEG、MPEG標準為基礎的壓縮域系統，一方面實現了完全解碼工作效率的提高，另一方面也縮短了重新編碼過程，這在數字電視、互聯網傳輸領域具有重大的現實意義.所以隱秘信息在進行傳輸時可以依托壓縮技術進行嵌入.

3.3.4 NEC算法

本算法最初是由美國NEC實驗室的考克斯等發明的，本算法對數字水印算法影響深遠中，其實途徑是，第一步，將密鑰作為種子促使偽隨機序列的形成，該序列需符合標準正態分布.密鑰通常情況下由圖像的哈希值和作者的標識碼組成，第二步，對圖像進行DCT變換，第三步則通過偽隨機高斯序列束實現直流分量外的1000個最大的DCT系數的調制.本算法的安全性、魯棒性、透明性都比較好.

3.3.5 生理模型算法

人的生理模型通常是由人類視覺系統和聽覺系統組成的.該模型在多媒體數據壓縮中得到了廣泛應用，同樣，在信息隱藏時也可以將其引入.視覺模型建立的主體思想就是通過一定的技術手段在不引起視覺注意的前提下，盡最大程度的實現隱秘信息的嵌入.本方法透明性和魯棒性表現優異.

4 數字圖像隱藏的發展趨勢

數字圖像隱藏技術的核心就是將隱藏的信息嵌入到宿主載體進行隱秘傳輸的一種行為.在傳遞文本信息時效率很高，該方法效率比較高.但是若傳遞音頻信息、圖像信息、視頻信息則存在很大的局限性.因為在對保護大量隱藏信息的載體進行解密時非常耗費時間，不能滿足實時性的需求.所以就圖像信息而言，根據其自身的特征可以采用對圖像進行置亂的途徑實現加密的要求.

圖像置亂的實質便是將要傳輸的信息次序進行打亂，降低信息的辨識度，實現保障數據安全性的目的.數字圖像置亂和信息加密思想實質是相同的，通過實現有目的對圖像進行一定的處理，使其變換成了一幅從感官上無法分辨的圖像而對真實的圖像信息進行了隱藏.另外圖像置亂還可以有效的抵抗第三方的惡意攻擊.由于事先對秘密圖像進行反置換處理，非法入侵者在圖像上所涂畫的痕跡則會到分散到畫面的其他地方，就如同隨機噪點，在視覺上對原圖影響不大，但是為了使提取的信息更為清晰，最好對破壞嚴重的圖像進行邊界進行中值、濾波等方面的后期處理，盡最大程度地降低噪點.

5 小結

目前信息隱藏技術發展不是很完善，我國數字網絡發展還落后于發達國家，信息隱藏技術特別是數字圖像隱藏技術的網上安全傳輸方案還處于初級探索階段，目前還存在許多具體的相關問題有待解決,但是立足現在面向未來看，這一技術的發展對網絡化、數字化中的傳輸安全問題將具有非常重要的現實意義.

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